(57)【要約】【課題】  従来のガス循環精製装置に用いられる電動送風機はシール性が良くなかった。またシール性を良くしたオイルシールを軸シールに用いたものは耐久性が良くない、という問題を有した。さらに、電動送風機のモータを冷却する別の冷却ファンが設置されているためクリーンルームでの使用が困難な場合があった。また、ガス循環精製装置では、電動送風機で加熱されたガスを冷却するために、冷却装置を別に設けていたので、装置価格が上昇し、装置サイズが大きくなる、という問題も有していた。【解決手段】  本発明では、電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、該電動送風機が作り出す風で該電動送風機のモータを冷却する自己冷却構造としたケース収納型送風機を提供した。本発明のケース収納型送風機では、密閉性を確保し外気の侵入を容易に防止できる。さらに、本発明では冷却機構を該ケース収納型送風機に内蔵する事により、ガス循環精製装置において、装置価格の低下と装置サイズの低減を達成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気の混入を嫌う系に用いられる電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、ケースには気体の入口と出口を設け、入口から入った気体が該電動送風機のモータを冷却するように流れた後に該電動送風機の送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が、該送風機構の気体出口と該ケースの気体出口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該ケースの出口から送出される構造としたケース収納型送風機。
【請求項２】
大気の混入を嫌う系に用いられる電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、ケースには気体の入口と出口を設け、入口から入った気体が、該ケースの入口と該電動送風機の送風機構部分の入口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が該電動送風機のモータを冷却するように流れた後に該ケースの出口から送出される構造としたケース収納型送風機。
【請求項３】
該ケースの中に気体を冷却する機構を設けた事を特徴とする請求項１または請求項２のケース収納型送風機。
【請求項４】
前記の大気の混入を嫌う系がガス循環精製装置である事を特徴とする請求項１、請求項２または請求項３のケース収納型送風機。
【請求項５】
前記の気体が不活性ガスである事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のケース収納型送風機。
【請求項６】
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５のケース収納型送風機を用いたガス循環精製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は電動送風機を密閉性の良いケースに収納した事を特徴とするケース収納型送風機であり、特に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス中の酸素と水分を除去するガス循環精製装置に好適に用いられる送風機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  酸素又は水分と激しく反応する活性な金属を不活性ガス中で取扱いたいという要望や水分により激しく経時劣化する有機ＥＬ（有機発光ダイオード）ディスプレイパネルを水分のない雰囲気で組立てたいという要望がある。かかる目的にはグローブボックスのような密閉性が確保された作業場所となる密閉ボックスにガス循環精製装置が接続されて使用される。ガス循環精製装置とは該密閉ボックスから送り込まれる不活性ガス中の不純成分を除去し、精製された不活性ガスを該密閉ボックスに戻す、という機能を有する装置である。「ガス循環」とは該密閉ボックスと該ガス循環精製装置の間を不活性ガスが循環することより付けられた名称である。ここに云う不活性ガスとは該密閉ボックス内に存在してはいけないガスを含有しない気体を云うが通常はアルゴンや窒素やヘリウムが用いられる。該不活性ガス中の不純成分とは該密閉ボックス内の作業の妨げとなる気体またはその作業により製造される物の特性を劣化させる気体を云うが通常は酸素と水分が対象となる。また、場合により有機物質の蒸気も不純成分とされる事がある。【０００３】  図３にガス循環精製装置の主要構成部分を示した。図３の１９はガス循環精製装置であり、ガス入口２０とガス出口２１があり、両方とも配管で前記の密閉ボックスと接続される。ガス入口２０から入った不活性ガスは精製塔１３に入り、精製塔の中に収納された水分吸着剤１４で水分が除去され、酸素吸着剤１５で酸素が除去される。水分吸着剤の代表例はモレキュラーシーブであり、酸素吸着剤の代表例は還元銅である。図の４は電動機（モータ）、５は送風機構、６は回転軸、１２はモータを冷却するファンである。モータにより送風機構５が駆動され不活性ガスが送風される。送風機構によりガスは繰返し加圧、撹拌されるので熱力学の原理によりガス温度が上昇する。特に吐出圧が高い場合は温度上昇が大きく、時には５０℃以上になる事もある。そこで不活性ガスを冷却する機能をもつ冷却塔１６が設置される。図の１７、１８は冷却水の出入口である。冷却機構を例示すると、流れる冷却水中に配置された複数本のチューブの中をガスが通過する時に冷却される構造の熱交換器として知られるシェルアンドチューブ構造をあげる事ができる。以上の構成により、入口２０からガス循環精製装置１９に入った不活性ガスは、不純物が除去された後に出口２１から送出され密閉ボックスへ戻る事になる。【０００４】  図３の例では不活性ガスは精製塔１３を通過した後に電動送風機に入る構造となっている。この構成では該電動送風機で送出される温度上昇した気体によりモレキュラーシーブが加温される事がない。ゆえに、ガス循環精製装置から出て行く気体の温度が室温より少々高くても問題ない場合は冷却塔を省略できるメリットがある。逆に電動送風機を通過した後に精製塔に入る構造とする事もできる。この構成では電動送風機で混入する微小な油分をモレキュラーシーブで吸着除去できる、また仮に電動送風機のところで微小な空気の混入があってもその後に配置された精製塔で酸素、水分を除去できるというメリットがある。しかし、この構成ではガス温度の上昇がモレキュラーシーブの温度上昇を招き、水分吸着性能の劣化をもたらすのでより厳密に不活性ガスを冷却する必要がある。【０００５】  使用される電動送風機としては、モータで送風機構が回転駆動されるあらゆる種類の電動送風機が使用できる。これらの電動送風機はブロワ、ファン、ドライポンプなどと称される事が多い。１対の３葉ロータが微小間隙を保ちながら回転するルーツブロワは吐出圧の風量依存性が小さく、圧損の大きい循環ガス系において安定したガス循環風量を確保する場合に有効な電動送風機である。リングブロワやサイドチャネルブロワは比較的小型で吐出圧の高い大風量のブロワである。その他、ターボファンやシロッコファンなども使用され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  循環される不活性ガス中の酸素濃度や水分濃度の要求レベルは１ｐｐｍ以下である事が多く、場合によってはｐｐｂ（１０億分の１単位）レベルの要求がある事により、電動送風機の送風機構は大気の混入のない完全な密閉構造が要求される。ところが、従来の大量生産される廉価な電動送風機ではかかる要求仕様を満足するものは皆無である。送風機構（図３の５）の密閉性が悪い、モータ（図３の４）と送風機構（図３の５）を連結する回転軸（図３の６）が送風機構に入る部分がベアリングと該ベアリングへの埃の付着を防止するシール部材のみであったりしてシール性が良くない、という欠点がある。そこで、廉価な大量生産品を使わないで特別な設計・製作で送風機構を作製するか、または前記のルーツブロワのような高価であるが密閉性のいい送風機構を有するブロワにおいて軸シール部分のオイルシールを２重に設けるなどの改造を行ってから実用に供する、といった手段が行われている。このような手段で密閉性、シール性を良くする事は可能であったが、オイルシールなどは徐々に摩耗する事が知られているように１年から数年間隔で分解点検が必要であり、故障し易い、またはメンテナンス費用が嵩むという欠点は解決されていない。さらに、電動送風機のモータは冷却する必要があり、通常は小型送風機（ファン、図３の１２）が付いているが、このファンがホコリを舞い上げる、または空気流を乱すことより、クリーンルームに設置できない場合が多い。【０００７】  本発明は前記の電動送風機に関する問題を全て解決する事を目的になされたケース収納型送風機である。さらに、該ケース収納型送風機を用いたガス循環精製装置である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  すなわち、本発明は、大気の混入を嫌う系に用いられる電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、ケースには気体の入口と出口を設け、入口から入った気体が該電動送風機のモータを冷却するように流れた後に該電動送風機の送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が、該送風機構の気体出口と該ケースの気体出口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該ケースの出口から送出される構造としたケース収納型送風機である。または、気体の出入り口を逆にした構成、すなわち、入口から入った気体が、該ケースの入口と該電動送風機の送風機構部分の入口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が該電動送風機のモータを冷却するように流れた後に該ケースの出口から送出される構造としたケース収納型送風機である。前者の構成、すなわち入口から入った気体が電動送風機のモータを冷却するように流れる場合は、モータに当たる気体の温度はほぼ常温であり、モータの冷却にとっては好都合である。後者の構成、すなわち送風機構部分から送り出された気体がモータを冷却するように流れた後に該ケースの出口から送出される構造の場合は、送風機構で暖められた気体でモータを冷却する事になりモータ冷却の観点からはデメリットであるが、送風機構の回転部分で発生する微量の油分などが、直接にガス出口から送出される事なく、いったんケース内に放出される事でケース壁などに付着除去されるという副次的な効果を有する。また、この後者の構成では、後述の冷却機構をケース内部に設ける場合に好都合である。前者と後者のどちらの構成を選ぶかは使用されるグローブボックスなどの密閉ボックスでの作業の要求で決定される。【０００９】  本発明のケース収納型送風機は大気の混入をきらう全ての送風システムに利用できるが、とりわけ極めて低濃度の水分含有量および、または低濃度の酸素含有量を要求されるグローブボックスなどの密閉ボックス内に気体を循環供給し、その途中でガス精製を行うガス循環精製装置において好適に用いられる。なお、上記の大気の混入を嫌う、とは大気中の１成分以上の混入を嫌う、という意味であり、通常は酸素、窒素、水分のいずれか、または複数の混入を嫌う、という意味である。ゆえに、本発明のケース収納型送風機により送風される気体は大気中の１成分以上を嫌うガスであればどのようなガス、または混合ガスでもよいが、とりわけ不活性ガスが用いられる。不活性ガスとしては、価格と入手し易さの観点から窒素、アルゴンが好ましく用いられる。【００１０】  以下に図面を用いて詳細に本発明を説明する。図１の１は本発明のケース収納型送風機のケースである。該ケース１は密閉性よく製作される必要あり、通常はステンレスで製作され、製作されたケースはヘリウムリークディテクタで漏れ検査され漏れのない事が確認された後に製品として使用される。図示省略したが、モータ４を駆動するための電気ケーブルがケースの壁をシール性の良い電流導入機構（ハーメチックシールなど）を介してケース内に導入され、モータに接続される。図１の２は気体の入口、図１の３は気体の出口である。入口から入ったガスは電動送風機のモータ４を冷却し、送風機構５の入口７に入り、加圧送風され送風機構の出口８から送出される。送風機構の出口８から送出された気体は該ケース内に漏れ出ることなく該ケースの出口３から出て行く。なお、本図の破線矢印は気体の流れを模式的に示したものである。【００１１】  この構成においては、前述の従来の問題点を一気に全て解決できることになる。まず、本発明においては電動送風機自体の密閉性は問題とならない。ケース（図１の１）を密閉性よく製作する事で送風される気体に空気が混入する事はない。次に、本発明ではモータを冷却する小型ファンは必要ない。ケース入口２から送風機構の入口７に流れる気体がモータ４を冷却する構成となっている。この冷却効果が有効な構成とするには、ケース入口２とモータ４と送風機構５の気体入口７が略この順序に空間に配置されていればよい。気体の単位時間あたりの流量は、市販のガス循環精製装置では約２０立方メートル／時間から約１２０立方メートル／時間であり、モータを冷却するに十分な流量であり、気体の流れは必ず乱流となる。この理由により、ケース入口２とモータ４と送風機構５の気体入口７の配置には厳密な条件は必要なく、モータ４の周囲に気体が流れ、モータ４を冷却する構造であれば十分である。さらに冷却効果を有効とするには、ケース１をコンパクトに作製するのがよい。すなわち、ケース入口２から入った気体が淀むことなくケース内部で常に流れ続ける、または撹拌され続けるように考案される必要がある。具体的には、ケース（図１の１）の内容積は電動送風機（図１の４〜８）の外寸で計算される該電動送風機の容積の１．２倍から３倍以内の大きさとするのが良い。以上の構成から明らかなように本発明のケース収納型送風機ではケース外に風を吹き出す事なくクリーンルームに設置してもクリーンルーム内のクリーンエアーの流れを妨害する事はない。【００１２】  図２に本発明のさらに発展した形態を図示した。本図の１から７は図１と同じである。図の９、１０、１１はガス冷却機構である。本例では、冷却水が入口１０から出口１１に流れる水冷パイプに熱伝導良く接続された冷却板９を模式的に示した。気体が複数の冷却板９に当たりながら流れる事により気体温度が低下する。かかる構造はエロフィンチューブ式熱交換器やプレートフィンチューブ式熱交換器として公知のものであり、その他の公知のガス冷却機構が利用可能である。従来の図３のような個別に冷却塔を設置する方式に比べて、本発明では、ガス循環精製装置本体をコンパクトにかつ廉価に製作できるようになった。【００１３】  本図２では、ケース入口２から入った気体は送風機構５により加圧、送風されて送風機構出口８から出て、モータ４を冷却した後に冷却機構９で冷却された後にケース出口３から出ていく構成を図示した。この構成では十分に冷却したガスを出口３から送出する事ができるので好都合である。逆に、気体の流れを図１と同様の方向とする事も可能である。すなわち、ケース入口から入った気体が冷却機構を通過した後にモータを冷却してから送風機構に入る構成、またはケース入口から入った気体がモータを冷却してから冷却機構を通過し、最後に送風機構に入る構成、とする事もできる。これらの気体の流れが図１と同様の方向となる構成では、送風機構で気体が暖められる前にモータを冷却するのでモータ冷却の観点からは好都合である。なお、前記のように、これらの要素部品の配置は厳密でなくてよく、ケースの出入口と送風機構の出入口の間のケース内を流れる気体の通路にモータと冷却機構が配置されていれば十分である。【００１４】  気体の単位時間あたりの流量は、モータを冷却するに十分な量でなくてはならない。前述のように、市販のガス循環精製装置では約２０立方メートル／時間から約１２０立方メートル／時間であり、モータを冷却するに十分な流量である。電動モータの回転速度が大きい場合は消費電力も大きくモータの発熱も大きいが、気体流量も同時に大きくなり十分な冷却が可能となる。逆にインバータなどで回転速度を落として気体流量を低下させる場合は、モータの発熱も少なくなり、少ない気体流量でも十分にモータを冷却する事が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】  本発明のケース収納型送風機は高純度不活性ガス雰囲気を作り出すガス循環精製装置に好適に用いられる。本発明をガス循環精製装置に用いた場合、循環ガス純度が向上し、ガス循環精製装置の小型化、高寿命、低価格化が達成された。さらに、容易にクリーンルームに設置できるようになった。
【実施例１】
【００１６】  図１の構造のケース収納型送風機を作製した。電動送風機はサイドチャネル型ブロワ（モータ最大出力０．４ｋＷ、吐出圧力１３ｋＰａ、最大風量７０立法メートル／時間）を用いた。該ブロワの外形寸法は、市販品からモータ冷却用のファンを取り去った状態で、直径２５０ｍｍ、長さ２３ｍｍであった。ケース（図１の１）は円筒型とし、直径３００ｍｍ、高さ２７０ｍｍである。このケース収納型送風機を用いて、図３の構成の、ただし送風機は本発明のケース収納型送風機としたガス循環精製装置を製作した。モレキュラーシーブは仏アクセンス社製の型番１３Ｘを７ｋｇ用い、酸素吸着剤は日揮化学株式会社製の耐硫黄性Ｎｉ触媒を４ｋｇ用いた。冷却塔（図３の１６）は外径９．５３ｍｍ、内径７．５３ｍｍ、長さ２５０ｍｍのステンレス管１２本を気体通路とするシェルアンドチューブ構造とした。なお、モレキュラーシーブが水分を飽和に吸着した時、またはＮｉ触媒が酸素と飽和に化合した時は加熱下で脱水および、または還元処理を行う目的でヒータが精製塔（図３の１３）に設置されるが、図示省略した。【００１７】  この本発明のケース収納型送風機を有するガス循環精製装置を内容積７２０リットルのグローブボックスに接続した。グローブボックスには薄膜酸化アルミセンサーの露点計とジルコニア起電力方式の酸素濃度計が装備されている。グローブボックス内の大気をアルゴンガスで置換した後に、該ガス循環精製装置を起動した。循環ガス流量は４８立方メートル／時間が得られ、グローブボックスに流入するガス温度は２９℃の問題ないガス温度だった。酸素濃度は該ガス循環精製装置を起動後４分で１ｐｐｍ濃度まで低下し、２日後には０．３ｐｐｍとなり、１週間後には０．１ｐｐｍとなった。水分濃度は、グローブボックス内を含むガス循環系統内の吸着水の影響が大きく露点低下速度が遅く、かつ測定日毎のバラツキあるが、平均して２日後には−７６℃（１ｐｐｍ）となり、１週間後には−８６℃となった。グローブボックスと接続した状態でガス循環精製装置の連続運転を１年間行ったが問題、トラブルの発生なく本ガス循環精製装置は良好な耐久性を示した。
【比較例１】
【００１８】  実施例と同じグローブボックスとガス循環精製装置の組合せで、ただし、本発明のケース収納型送風機に替えて、株式会社アンレット製の３葉ルーツ式水中ブロワＢＷＦ４０１５型（直結モータ、モータ最大出力１．５ｋＷ、吐出圧力１０ｋＰａ、消費電力０．５４ｋＷ、風量７１立法メートル／時間）を用いた。該ブロワは水中での使用を目的に開発されたものであるが、別途に空冷ファン（プロペラファン）でモータを冷却する事で大気中でも使用できる。ただし、ファンでモータに向けて送風された空気はガス循環精製機内部のみでなく装置外部へも流れ、外部の大気を撹乱した。実施例と同様にグローブボックス内の大気をアルゴンガスで置換した後に、該ガス循環精製装置を起動した。循環ガス流量は約６０立方メートル／時間が得られ、グローブボックスに流入するガス温度は３５℃とやや高かったが、冷却塔に約２０℃の冷却水を流す限りはガス温度３５℃を保持し、問題ないガス温度だった。酸素濃度は該ガス循環精製装置を起動後４分で１．３ｐｐｍ濃度まで低下し、２日後には０．８ｐｐｍとなったが、その後の酸素濃度の低下は見られなかった。１週間後でも０．８ｐｐｍだった。水分濃度は、前述のように吸着水の影響が大きく露点低下速度が遅く、かつ測定日毎のバラツキあるが、平均して２日後には−７６℃（１ｐｐｍ）となり、１週間後には−８０℃となったが、前記の実施例ほどの低露点とはならず、この−８０℃の状態を継続した。略この状態での１０カ月の連続運転では問題、トラブルの発生なかったが、１０カ月以降は酸素濃度と露点の上昇が見られ、連続１年運転後に検査した結果、オイルシールの摩耗が見つかった。
【実施例２】
【００１９】  図２の構造のケース収納型送風機を作製した。電動送風機は実施例１と同じサイドチャネル型ブロワを用い、ケース内にフィンチューブ式熱交換器構造のガス冷却機構（図２の９，１０，１１）を組み込んだ。ケースサイズは直径３００ｍｍ、高さ３５０ｍｍである。実施例１の場合よりやや大きい高さとなったが、このケース収納型送風機を用いたガス循環精製装置では冷却塔が省略できたので、全体の装置サイズは実施例１よりコンパクトに製作する事ができた。【００２０】  該ケース収納型送風機を実施例１と同じガス循環精製装置に組み込み、グローブボックスに接続し、ガス循環精製運転を行い、同様に評価した。循環ガス流量は４７立方メートル／時間、グローブボックスに流入するガス温度は３１℃の問題ないガス温度だった。酸素濃度は該ガス循環精製装置を起動後４分で０．８ｐｐｍ濃度まで低下し、２日後には０．３ｐｐｍとなり、１週間後には０．１ｐｐｍとなった。水分濃度は、グローブボックス内を含むガス循環系統内の吸着水の影響が大きく露点低下速度が遅く、かつ測定日毎のバラツキあるが、平均して２日後には−７８℃（１ｐｐｍ）となり、１週間後には−８８℃となった。さらに、１年間の連続運転を行ったが問題、トラブルの発生なく良好な耐久性を示した。【００２１】  実施例１と比較例１のガス循環精製装置では冷却塔を用いて、ガス循環精製装置を出てグローブボックスに流入するアルゴンガス温度は前記のように、それぞれ２９℃と３５℃だった。それぞれの場合で、冷却水を停止した時のガス温度は３９℃と５１℃だった。実施例２では、ケース収納型送風機のケース内に設置したガス冷却機構により、ガス温度は３１℃にする事ができ、冷却機構の有効性が証明された。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】  本発明のケース収納型送風機の模式図である。１はケース、２，３は気体の出入り口、４は電動送風機の電動機（モータ）、５は送風機構部分、６はモータと送風機構を連結する回転軸である。７，８は送風機構のガス出入り口である。
【図２】  本発明のケース収納型送風機のケース内部にガス冷却機構９を設けた実施例２を説明する模式図である。１０、１１は冷却水の入側と出側である。
【図３】  比較例１のガス循環精製装置を示した。１９はガス循環精製装置であり、２０は該装置に入ってくるガスの入口であり、２１は該装置から送出される精製されたガスの出口である。この比較例の電動送風機にはモータを冷却する小型ファン１２が装備される。１６は送風機構で温度上昇したガスを冷却する冷却機構であり、１７、１８は冷却水の入側と出側を示したのものである。１３が精製塔であり、１４は水分吸着剤、１５は酸素吸着剤である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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